I computer quantistici utilizzano i fondamenti della meccanica quantistica per accelerare potenzialmente il processo di risoluzione di calcoli complessi. Supponiamo di dover eseguire l'attività di ricerca di un numero specifico in una rubrica. Un computer classico cercherà ogni riga della rubrica finché non trova una corrispondenza. Un computer quantistico potrebbe cercare contemporaneamente l'intera rubrica, valutando ogni riga contemporaneamente e restituire un risultato molto più velocemente.

La differenza di velocità è dovuta all'unità di base del computer per l'elaborazione delle informazioni. In un computer classico, quell'unità di base si chiama un po', un impulso elettrico o ottico che rappresenta 0 o 1. L'unità di base di un computer quantistico è un qubit, che può rappresentare contemporaneamente numerose combinazioni di valori da 0 e 1. È questa caratteristica che può consentire ai computer quantistici di accelerare i calcoli. Lo svantaggio dei qubit è che esistono in uno stato quantico fragile che è vulnerabile al rumore ambientale, come le variazioni di temperatura. Di conseguenza, la generazione e la gestione dei qubit in un ambiente controllato pone sfide significative ai ricercatori.

Galan Moody, ingegnere dell'UC Santa Barbara, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica, ha proposto una soluzione per superare la scarsa efficienza e prestazioni dei prototipi di calcolo quantistico esistenti che utilizzano la luce per codificare ed elaborare le informazioni. I sistemi ottici sono interessanti perché collegano naturalmente il calcolo quantistico e il networking nella stessa struttura fisica. Però, la tecnologia esistente richiede ancora operazioni ottiche off-chip, che riducono drasticamente l'efficienza, prestazioni e scalabilità. Nel suo progetto, "Fotonica eterogenea III-V/silicone per All-on-Chip:calcolo quantistico ottico lineare, " Moody mira a creare una piattaforma di calcolo quantistico ottico in cui tutti i componenti essenziali sono integrati su un singolo chip semiconduttore.

"I circuiti elettronici integrati hanno consentito progressi rivoluzionari nell'informatica classica. Il nostro obiettivo è creare circuiti fotonici integrati che abbiano lo stesso impatto sull'informatica quantistica, "disse Moody, che è entrato a far parte del College of Engineering dell'UCSB questo autunno dopo aver trascorso sei anni al National Institute of Standards and Technology come borsista post-dottorato e ricercatore. "Ciò potrebbe portare a un notevole miglioramento dell'efficienza e della velocità di elaborazione e consentire metodi completamente nuovi di elaborazione e trasmissione delle informazioni utilizzando la luce".

Il progetto di ricerca di Moody's ha ora ricevuto un significativo impulso dall'Air Force degli Stati Uniti. È uno dei 40 scienziati all'inizio della carriera selezionati per un Young Investigator Award 2019 dall'Air Force Office of Scientific Research. I vincitori ricevono $ 450, 000 in tre anni per sostenere il loro lavoro. Il programma ha lo scopo di promuovere la ricerca di giovani scienziati che supportano la missione dell'Air Force di controllare e massimizzare l'utilizzo dell'aria, spazio e cyberspazio, così come le relative sfide nel campo della scienza e dell'ingegneria.

"È un onore essere tra questo gruppo di talentuosi premiati, e sono grato per essere stato selezionato, " ha affermato Moody. "Questo premio consentirà al mio gruppo di ricerca di avere un impatto più significativo sull'eccitante e in rapida evoluzione del panorama dell'informazione quantistica".

Per sviluppare un impianto completamente elettrico, piattaforma fotonica quantistica all-on-chip, Moody propone di integrare tre tecnologie che sono state sviluppate per diverse piattaforme e applicazioni. I componenti sono sorgenti a singolo fotone a punti quantici azionati elettricamente, fotonica a base di silicio per operazioni ottiche, e rivelatori a singolo fotone a nanofili superconduttori.

"Utilizzeremo la modellazione fisica per guidare la progettazione e la fabbricazione del dispositivo, " ha detto. "La spettroscopia ottica quantistica ci darà informazioni sulle proprietà dei materiali e sulle fonti di rumore, e gli interferometri ottici su chip consentiranno misurazioni che ci consentiranno di migliorare la purezza del materiale, monitorare la sorgente luminosa ed eseguire calcoli. In definitiva, vogliamo comprendere meglio e sfruttare tutti i vantaggi che la meccanica quantistica può fornire per l'informatica e il networking".

Secondo Moody, la nuova tecnologia potrebbe anche avere impatti trasformativi in ​​aree come le sorgenti di luce quantistica chiavi in ​​mano per comunicazioni sicure, e per ridurre le dimensioni, peso e consumo energetico dei dispositivi fotonici classici come laser e LED.